考虑电池老化和纳米流体影响的电池热管理系统研究

论文信息：Z. Guoa, Y. Wanga, S. Zhaoa, T. Zhao, M. Ni, Investigation of battery thermal management system with considering effect of battery aging and nanofluids,International Journal of Heat and Mass Transfer 202 (2023) 123685.

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2022.123685

研究背景

电动汽车(ev)在减少交通运输部门的碳和污染物排放方面非常有前景。锂离子电池作为一种高效、稳定的储能系统，已经成为电动汽车的诱人选择。然而，电池的电化学性能和寿命对温度非常敏感。高温容易导致电池性能下降、容量下降甚至爆炸。本研究建立了一个结合电化学、容量衰减、传热和流体动力学的更现实、更通用的模型。利用该模型可以准确预测具有BTMS的电池组在不同工作周期下的多物理场行为。

研究内容

在本研究中，采用6块尺寸为128mm×78mm×8 mm的商用锂离子电池组成电池组，每块电池中间夹有两块小通道冷板，如图1(a)所示。图1(b)为单电池单元的计算域，该单元由5部分组成:负、正集流器、分离器、阳极和阴极。阴极和阳极为固体多孔基体，活性材料分别为LiFePO4和LiC6。该分离器由多孔聚合物膜制成，将阴极和阳极分开。图1(c)为所采用的微型通道冷板，其形状为矩形。共有5个迷你通道，已被证实足以为电池组提供有效的热管理。冷板内部均匀布置微通道。图1(d)为不同几何形状的纳米颗粒。

图1 (a)电池组示意图，(b)单电池计算域示意图，(c)微通道冷板示意图，(d)不同纳米颗粒形状示意图。

图2为进口速度为0.045 m/s时，由EO、EG和水组成的BTMS冷却的电池中部温度分布。可以观察到，在考虑和不考虑电池老化影响的情况下，温度分布有明显差异。在不考虑容量衰减的情况下，各工况的温度分布基本一致。而考虑容量衰减的情况下，不同工作循环下的温度分布完全不同，随着工作循环的重复，电池组的温度梯度越来越高。此外，无论是否考虑容量衰减，在所有情况下，电池组的最低温度都出现在小通道入口附近，并且温度沿冷却剂流动方向升高。由此可见，电池组的最高温度出现在出口附近。此外，还需要注意的是，与水混合的BTMS在改善温度分布方面表现最佳，这表明与EG和EO相比，水在控制电池热问题方面最有效。同时，含EO的BTMS获得了最高的温度梯度，这意味着EO不像水和EG那样有利于为电池组提供良好的热管理。

图2 BTMS用(a) EO (b) EG (c)水冷却电池中部温度分布。

图3为含EO、EG和水的BTMS压力损失图。在所有工况下，进口速度的增加总是导致压力损失的增加，而在忽略电池老化影响的工况下，压力损失在所有工况下都没有变化。但考虑容量衰减时，由于容量衰减引起的冷却液温度和电池温度不同，在循环过程中压力损失逐渐减小。此外，有水的BTMS造成的压力损失最小。此外，由BTMS引起的较低压力损失通常意味着需要较低的泵送功率来推动冷却剂通过迷你通道。

图3 (a) EO， (b) EG， (c)水对BTMS压力损失的影响。

图4(a)和图4(b)为电池组最高温度和最大温差。可以看出，Al2O3纳米颗粒的加入总是能够提高BTMS的冷却性能。此外，值得注意的是，将Al2O3纳米颗粒分散到EO中对改善BTMS冷却性能的效果最为显著，这表明Al2O3纳米颗粒的加入对BTMS冷却电池的热问题有更好的改善，BTMS的基础液具有更低的导热系数和热容。图4(c)为不同冷却剂和纳米流体对BTMS压力损失的影响。在所有情况下，由于电池老化效应引起的冷却液温度和电池温度不同，压力损失总是随着工作循环的重复而逐渐减小。同时，对于动力粘度越高的冷却剂，循环过程中的压力损失减量越大。此外，将Al2O3纳米颗粒分散到BTMS中总是会受到更高的压力损失的惩罚，并且对于动力粘度较高的纳米流体，压力损失增量更大。

图4 (a)使用不同冷却剂和纳米流体时BTMS的最高温度(b)最大温差和(c)压力损失。

图5(a)为循环过程中电池组的平均电势。可以观察到，在BTMS中分散不同形状的Al2O3纳米颗粒后，电池组表现出不同的平均电位。在前250个循环中，与其他类型的纳米颗粒相比，具有血小板状Al2O3纳米颗粒的BTMS获得了更高的平均电位，但在随后的循环中，具有砖状Al2O3纳米颗粒的BTMS获得了最高的平均电位。同时，不同形状纳米颗粒的BTMS在控制容量衰减方面也表现出明显不同的性能，如图5(b)所示。与其他纳米颗粒相比，砖状Al2O3纳米颗粒的BTMS防止电池老化的能力最强，而血小板状Al2O3纳米颗粒的BTMS防止电池老化的性能最差。

图5 (a)加入水和不同形状纳米颗粒后BTMS的平均电压和(b)容量衰减。

总结与展望

综上所述，在电池组运行了一定周期后，由于电池老化的影响，老化的电池组产生了较大的热量，导致温度和温差升高。与EO和EG相比，含水BTMS在控制热行为和流动阻力方面更有效。含水BTMS在控制SEI形成和容量衰减方面也表现出最好的效果。将纳米粒子分散到BTMS中，可以显著提高电池组在循环过程中的冷却性能和电化学性能。然而，对于纳米流体的BTMS来说，更高的压力损失是不可避免的。水基纳米流体在提高冷却性能、控制流动阻力和防止电池老化方面表现最佳。纳米颗粒体积分数越大，BTMS改善电池热问题和电化学性能的能力越强，但压力损失增量也越大。还发现纳米颗粒的形状对电池的热行为和电化学性能有显著影响。砖状纳米颗粒的BTMS在改善冷却性能和控制容量衰减方面最有效。具有球形纳米颗粒的BTMS获得了最低的压力损失，并为电池组提供了良好的热管理。

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